Nieuw materiaal moet heupimplantaten sterker maken

Opnieuw een vindingrijke medisch-technologische doorbraak aan de TU Delft. Onderzoekers hebben daar een materiaal ontwikkeld dat de levensduur van heupimplantaten een stuk kan verlengen. Het gaat om een hybride meta-biomateriaal gemaakt met een 3D-printer.

Het is een materiaal dat niet in de natuur te vinden is, maar wel gecreërd kan worden met een 3D-printer en al bestaande biomaterialen: een hybride meta-biomateriaal dat bot ingroei bevordert. Onderzoekers van de TU Delft ontwikkelden een meta-implantaat dat conventioneel meta-biomateriaal met auxetisch meta-biomateriaal combineert. Dat is belangrijk omdat deze laatste – in tegenstelling tot natuurlijke materialen- een negatieve Poisson’s ratio heeft. Dit betekent dat het materiaal zich zijdelings uitzet (het wordt dikker) wanneer het wordt uitgerekt. Met deze eigenschap kan het materiaal zorgen voor onder meer een betere verankering van heupimplantaten. Op 2 januari 2018 publiceerden de Delftse wetenschappers hun vindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Materials Horizons.

Momenteel is de verwachting dat het wereldwijde aantal heupprothesen rond het jaar 2020 stijgt tot 2,5 miljoen per jaar. Zo’n tien procent van deze implantaten zal, met de huidige gebruikte technieken, binnen tien jaar niet meer goed verankerd zitten in het lichaam. Dat was voor prof. Amir Zadpoor van de TU Delft een drijfveer om te zoeken naar een wijze waarop dit voorkomen kan worden. Die denkt hij nu gevonden te hebben met behulp van het auxetische meta-biomateriaal.   

Krachten 

Meta-biomaterialen zijn de biomedische variant van zogenaamde metamaterialen, die ongewone eigenschappen vertonen die niet in de natuur voorkomen; ze kunnen onzichtbaar zijn, zijn uitermate sterk maar toch extreem licht en vertonen een negatieve thermische uitzetting. De publicatie van Zadpoor en zijn collega’s laat zien dat deze ongewone eigenschappen zeer interessant zijn voor de ontwikkeling van medische implantaten. ‘Doordat auxetisch meta-biomateriaal, dat met simpele geometrie en het gebruik van titanium tot stand komt, de bijzondere mechanische eigenschap heeft dat het uitzet wanneer er druk op komt, is het uitermate geschikt als aanvulling op materialen die juist het tegenovergestelde doen’, verklaart Zadpoor. ‘Als iemand met een heupimplantaat bijvoorbeeld wandelt dan ontstaan er diverse krachten op de prothese. In geval van een te hoge druk aan één kant van de prothese kan het voorkomen dat er aftrekking van het bot plaatsvindt, dat is zeer onwenselijk.’

Loslating 

De onderzoekers vermoeden dat een hybride prothese deels gemaakt van meta-biomateriaal met een positieve Poisson’s ratio en deels van meta-biomateriaal met een negatieve Poisson’s ratio, veel beter verankerd kan raken in het lichaam. ‘Het hybride meta-biomateriaal kan zo beter de kans krijgen met het bot te vergroeien, waardoor het implantaat veel steviger vast zal komen te zitten.’  Ook de belangrijkste oorzaak van loslating van protheses denkt Zadpoor in de toekomst met dit nieuwe materiaal te kunnen ondervangen: ‘Doordat er minder onnatuurlijke krachten op de prothese werken is de kans kleiner dat er bij slijtage van de heupkom plastic deeltjes vrijkomen die de kans op loslating vergroten.’  

Verder onderzoek 

Zadpoor heeft tot dusver in een experiment een implantaat belast met verticale krachten naar beneden, omgeven door botachtig materiaal (speciaal schuim met de mechanische eigenschappen van bot). De kracht simuleert de belasting van een implantaat in het menselijk lichaam. Door deze kracht zet het implantaat – gemaakt van het nieuwe hybride meta-biomateriaal – uit, wat ervoor zorgt dat er aan beide kanten van het implantaat compressie in het omliggende bot ontstaat (de turquoise blauwe verkleuring op het beeld hierboven). Precies dit kan zorgen voor betere verankering. Klinische tests hebben nog niet plaatsgevonden. De onderzoeksvraag die de Delftse groep, in samenwerking met onderzoekers van diverse universitaire ziekenhuizen, de komende jaren centraal stelt is hoe deze eigenschappen exact gebruikt kunnen worden om betere implantaten te ontwikkelen. 

Potentie

‘Innovatie van heupimplantaten is hard nodig en deze nieuwe methode van prof. Zadpoor heeft zeker de potentie om de levensduur van implantaten te verlengen. Hierbij moet dan wel een gefaseerde introductie met eerst 3D-metingen van dit implantaat in de patiënt volgen om tot een veilige kwaliteitsverbetering voor patiënten te komen’, zegt prof. Rob Nelissen, orthopedisch chirurg van het Leids Universitair Medisch Centrum en Medical Delta Hoogleraar.

Door: Kelly Bakker

Bron: TU Delft